溢流壩護(hù)坦末端基巖沖坑成因分析及處理

文德合

（五凌電力公司近尾洲水電廠 衡陽市 421127）

前 言

2005年9月，近尾洲水電廠汛后對溢流壩下游消能建筑物及河床進(jìn)行了水下攝像檢查。檢查發(fā)現(xiàn)13#、14#溢流壩的消力池及16#、17#溢流壩的護(hù)坦末端有淘空現(xiàn)象，淘空深度（0.4～2）m，高度（0.45～1.7）m。 15#～16#溢流壩下游（壩軸線以下）（55～140）m處河床形成約40m寬的沖坑，其中在15#溢流壩下約70m處沖坑底部高程為47.7m（河床高程約為54.0m），在16#溢流壩下約50m處沖坑底部高程為48.7m，沖坑沿上游及左側(cè)較陡，約為1∶1左右，沿下游及右側(cè)坡度較緩，約為1∶5以上，沖坑長約95m，寬約36m，面積為3 500m2左右,最深約6m，平均深約2.5m（具體見圖1）。

從2000年電站投產(chǎn)發(fā)電至2005年，電站溢流壩和消能工經(jīng)過了5年汛期的考驗(yàn)。通過檢測發(fā)現(xiàn)，雖然沖坑對大壩安全暫未構(gòu)成較大危害，但沖坑已發(fā)展到護(hù)坦和消力池下游端，護(hù)坦下游側(cè)面混凝土部分已完全裸露，并有部分底部出現(xiàn)基巖淘空現(xiàn)象，隨著沖坑進(jìn)一步向上游發(fā)展和深度的加深，必將對混凝土護(hù)坦和消力池產(chǎn)生破壞，并最終對閘壩的安全穩(wěn)定構(gòu)成危害。

圖1 水下地形圖

1 樞紐工程布置情況

近尾洲水電站位于湘江中游，地處衡南、常寧、祁東三縣交界處，是湘江干流開發(fā)規(guī)劃中的第五級電站。大壩主要由混凝土重力壩、河床式廠房、混凝土閘壩、均質(zhì)土壩組成，全長810m，最大壩高24 m。其中混凝土閘壩布置于主河床位置，設(shè)有22孔泄洪閘，采用露頂式弧門，左側(cè)6孔泄洪閘采用平底堰，其孔口尺寸為14m×11.5m，堰頂高程為55.00 m，右側(cè)16孔泄洪閘采用WES堰，其孔口尺寸為14 m×9.5m，堰頂高程為57.00m。閘壩底寬24m，最大壩高26m，其中0#閘墩厚4m，1#～6#閘墩厚2.2m，7#～21#閘墩厚2m，22#閘墩厚3m。水庫屬于日調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位66.0m、死水位65.10m，可調(diào)節(jié)庫容0.246億m3，水庫庫容4.6億m3，壩址多年平均流量752m3/s、多年平均徑流量237億m3。工程以發(fā)電為主，兼有灌溉和航運(yùn)等綜合效益。裝有3臺單機(jī)為21.06MW的燈泡貫流式機(jī)組、總裝機(jī)容量63.18 MW，接入系統(tǒng)電壓為110 kV，2000年12月28日首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2002年2月18日3臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.92億kW·h。

2 沖坑成因分析

經(jīng)組織設(shè)計(jì)人員和專家對原工程設(shè)計(jì)、地質(zhì)資料、模型試驗(yàn)結(jié)果和閘門調(diào)度方式進(jìn)行了成因分析，認(rèn)為造成溢流壩下游沖坑形成的主要原因是水力因素和地質(zhì)特點(diǎn)綜合作用而產(chǎn)生的。

（1）地質(zhì)因素方面。消力池段和護(hù)坦段溢流壩壩基巖石主要有細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖三大類，且有淺層破碎夾層出露，節(jié)理裂隙較發(fā)育。在14?！?7＃閘壩護(hù)坦下游有部分區(qū)域存在巖石軟弱破碎帶，抗沖流速較低，易沖刷破壞。

（2）水力因素方面。電廠弧門按正常調(diào)度，2002年7月最大下泄流量10 067m3/s，8月最大下泄流量10 477 m3/s；2003年5月最大下泄流量 11 600 m3/s；2004年5月最大下泄流量7 400m3/s。每年汛后均進(jìn)行了水下檢查，未發(fā)現(xiàn)有損壞情況。2005年6月最大下泄流量為7 400m3/s，但在弧門調(diào)度過程中 15#、16#、17#、18#弧門均在 7#～14#弧門開度為 7.8 m的情況下小開度參與泄洪，且時(shí)間較多。

對于多孔泄洪的低壩工程，閘門調(diào)度是一個(gè)十分重要又復(fù)雜的問題，由于模型試驗(yàn)與實(shí)際工程運(yùn)行情況存在一定差別，不排除在消力池段下泄中小流量而護(hù)坦段閘壩沒有開閘泄洪時(shí)，3＃導(dǎo)墻處出現(xiàn)水流集中，并在消力池段14＃閘壩和護(hù)坦段15＃～17＃閘壩下游出現(xiàn)回流現(xiàn)象，且流速較大。當(dāng)巖石抗沖流速低于水流流速時(shí)，易被沖刷并形成一定范圍的沖坑。從沖坑的實(shí)際構(gòu)成范圍和深度的變化來分析，沖坑最深處集中在3＃導(dǎo)墻下游，從消力池段最右側(cè)14＃孔右側(cè)的護(hù)坦下游向3＃導(dǎo)墻右側(cè)護(hù)坦段17＃孔的護(hù)坦下游發(fā)展，深度從左至右由深變淺，基本符合回流沖刷破壞的原理。

3 工程處理措施

（1）水下混凝土澆筑。為了防止沖坑進(jìn)一步擴(kuò)展，預(yù)防水流淘刷對消能工和大壩安全較大危害，需利用枯水期及時(shí)對沖坑和混凝土海漫后淘空部位進(jìn)行修復(fù)處理，并采取措施減小3＃導(dǎo)墻下游的回流。

對沖坑處理最簡單有較的措施就是進(jìn)行回填。若單純采用拋石回填，因電站附近缺少合適的石材，開采運(yùn)輸成本較高；在下泄洪水的余能作用和長期運(yùn)行情況下，塊石粒徑將逐漸變小，易被沖走。若全部用水下混凝土回填至原河床高程，由于沖坑面積較大，約需混凝土8 000m3，修補(bǔ)工程投資太大，且完全沒有必要。故經(jīng)綜合考慮，采用上游靠消能工位置局部回填水下混凝土加局部拋填鋼筋籠塊石的方式進(jìn)行處理，而下游端因遠(yuǎn)離大壩，此次修補(bǔ)暫不處理，留待觀測1年，若繼續(xù)擴(kuò)展則再作進(jìn)一步處理，若基本穩(wěn)定不再發(fā)展則可不作處理。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，16#～17#閘孔海漫下游沖坑在壩軸線向樁號H0+385.0至H0+410.0范圍內(nèi)，從上游側(cè)順河向樁號Z0+054.5由高程53.6m、寬1.5m，再以高程52m、高程51m寬1m高的階梯向下游澆筑水下混凝土至高程49.6m，沖坑底部用混凝土回填至高程49.6m；樁號Z0+054.5上游至混凝土海漫未端用混凝土填平至53.6m高程，混凝土海漫末端底部淘空部位用混凝土回填。水下混凝土工程量為400m3，標(biāo)號為C25，采用導(dǎo)管法水下立模澆筑?；炷猎诎渡习韬?，通過混凝土輸送泵或?qū)Ч芾猛２丛跊_坑上的浮箱工程船進(jìn)行水下澆筑。水下混凝土臺階未端設(shè)置2排1.4m×1.4m×1.2m（長×寬×高）鋼筋籠，內(nèi)填塊石，鋼筋籠間用拋石填充，塊石為弱風(fēng)化灰?guī)r、花崗巖或青石，粒徑大于0.3m。

13#～14#溢流壩消力坎與巖石結(jié)合部位，為了防止沖刷擴(kuò)大，危及消力坎及大壩的安全，對消力坎未端淘空部位采用導(dǎo)管法立模澆筑2m寬C25水下混凝土，并在其后設(shè)置1排11.4m×1.4m×1.2m（長×寬×高）鋼筋籠，內(nèi)填塊石（沖坑處理的具體設(shè)計(jì)斷面圖如圖2）。

圖2 沖坑處理設(shè)計(jì)斷面圖

（2）閘門調(diào)度方式調(diào)整。電站在實(shí)際操作中根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閘門調(diào)度：近尾洲水庫洪水調(diào)節(jié)起調(diào)水位為正常蓄水位66.0m，滯洪超過該水位，閘門全部開啟，自由泄洪。弧門依據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)度規(guī)定進(jìn)行調(diào)度，具體調(diào)度方式為：

● Ⅰ區(qū)（7#～14#弧門）調(diào)度

當(dāng)通過弧門下泄流量小于800m3/s時(shí)，只調(diào)度7#～9#弧門，三孔弧門必須同步開啟，控制單寬流量小于19m3/s，閘門開啟高度小于2.0m。

當(dāng)通過弧門下泄流量在（800～2 100）m3/s時(shí)，再調(diào)度10#～14#弧門，五孔弧門必須同步開啟，控制單寬流量小于19m3/s，閘門開啟高度小于2.0m。

當(dāng)通過弧門下泄流量在 （2 100～5 570）m3/s時(shí)，調(diào)度7#～14#弧門，八孔弧門必須同步開啟，隨著流量變化調(diào)整弧門開度。

● Ⅱ區(qū)（15#～22#弧門）調(diào)度

當(dāng)通過弧門下泄流量在 （5 570～6 662）m3/s時(shí)，加開 15#～16#弧門。

當(dāng)通過弧門下泄流量在 （6 662～7 555）m3/s時(shí)，加開 15#～18#弧門。

當(dāng)通過弧門下泄流量在 （7 555～8 250）m3/s時(shí)，加開 15#～20#弧門。

當(dāng)通過弧門下泄流量在 （8 250～8 800）m3/s時(shí)，加開 15#～22#弧門。

增開的孔數(shù)以2孔為一組進(jìn)行調(diào)度，閘門應(yīng)全開，確保水位不超過66.0m，水流流態(tài)已成面流。

● Ⅲ區(qū)（1#～6#弧門）調(diào)度

當(dāng)來水流量大于8 800m3/s時(shí)，1#～22#孔弧門必須全開。

調(diào)整后的調(diào)度方式為：

●當(dāng)通過弧門下泄流量小于800m3/s時(shí)，調(diào)度7#～9#弧門，三孔弧門必須同步開啟，控制單寬流量小于19m3/s，閘門開啟高度小于2.0m。通過原型觀測，若護(hù)坦下游出現(xiàn)回流，則同步增加開啟15#～16#弧門，閘門開啟高度小于0.5m，控制單寬流量小于8 m3/s；若護(hù)坦下游不出現(xiàn)回流，則不需增加開啟 15#～16#弧門。

●當(dāng)通過弧門下泄流量在 （800～2 100）m3/s時(shí)，再調(diào)度 10#～14#弧門，弧門必須同步開啟，控制單寬流量小于19m3/s，閘門開啟高度小于2.0m。過原型觀測，若護(hù)坦下游出現(xiàn)回流，則同步增加開啟15#～16#弧門，閘門開啟高度小于0.5m，控制單寬流量小于10m3/s；若護(hù)坦下游不出現(xiàn)回流，則不需增加開啟15#～16#弧門。

● 當(dāng)通過弧門下泄流量在 （2 100～5 570）m3/s時(shí)，調(diào)度7#～14#弧門，八孔弧門必須同步開啟，隨著流量變化調(diào)整弧門開度。同時(shí)開啟15#、16#弧門，閘門開啟高度小于1m，控制單寬流量小于15m3/s；若仍有回流產(chǎn)生，則再同步開啟17＃、18＃弧門，閘門開啟高度小于1m。

●當(dāng)通過弧門下泄流量大于5 570m3/s時(shí)，調(diào)度方式同原調(diào)度操作方式。

4 效 果

經(jīng)過水下混凝土澆筑處理及閘門調(diào)整后的調(diào)度方式運(yùn)行檢查措施，發(fā)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閘門調(diào)度沒有明顯產(chǎn)生回流和遠(yuǎn)處水躍，并且電站每年訊后都組織對修復(fù)部位進(jìn)行水下攝影檢查，8年以來，修復(fù)部位保持完好，期間也經(jīng)歷了2008年那一次近20年一遇的洪水考驗(yàn)。目前閘門調(diào)度方式還是執(zhí)行原設(shè)計(jì)調(diào)度方式。

[1]水利部，湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院.湖南省湘江近尾洲水電站工程竣工安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告[R].2002.

[2]水利部，湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.湖南省湘江近尾洲水利水電樞紐工程竣工安全鑒定工程地質(zhì)自檢報(bào)告[R].2002.